(57)【要約】【課題】交流プラズマ溶接において、アークスタート直後のアーク切れの発生を抑制して良好なアークスタート部の溶接品質を得る。【解決手段】本発明は，電極とプラズマノズルとの間にパイロットアークを発生させ、このパイロットアークをプラズマガスによって噴出させて交流電流が通電する主プラズマアークを発生させる交流プラズマ溶接のアークスタート方法において、前記主プラズマアークを電極マイナス極性ＥＮで発生させ、続いて予め定めた初期時間Ｔｉ中は予め定めた初期電極マイナス電流Ｉmiを通電し、それ以降は定常の交流電流Ｉmp、Ｉmnを通電し、前記初期時間Ｔｉ中の前記初期電極マイナス電流Ｉmiの積分値を２０〜２００Ａ・ｓの範囲内に設定することを特徴とする交流プラズマ溶接のアークスタート方法である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極とプラズマノズルとの間にパイロットアークを発生させ、このパイロットアークをプラズマガスによって噴出させて交流電流が通電する主プラズマアークを発生させる交流プラズマ溶接のアークスタート方法において、
前記主プラズマアークを電極マイナス極性で発生させ、続いて予め定めた初期時間中は予め定めた初期電極マイナス電流を通電し、それ以降は定常の交流電流を通電し、前記初期時間中の前記初期電極マイナス電流の積分値を２０〜２００Ａ・ｓの範囲内に設定することを特徴とする交流プラズマ溶接のアークスタート方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流プラズマ溶接のアークスタート性を向上させるための交流プラズマ溶接のアークスタート方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図５は、従来技術のプラズマ溶接装置の構成図である。パイロットアーク用電源ＰＡは、電極１とプラズマノズル２との間にパイロットアークを発生させるために高周波高電圧を出力し、その後パイロットアークを維持するための直流（電極マイナス極性）のパイロットアーク電流Ｉｐを通電する。プラズマアーク用電源ＭＡは、主プラズマアーク４を発生・維持させるための直流又は交流のプラズマアーク電流Ｉｍを通電する。スイッチＳ１、Ｓ２は、上記のパイロットアーク用電源ＰＡ、プラズマアーク用電源ＭＡの出力をオン／オフする。このタイミングについては図６で後述する。プラズマ溶接トーチは、主に電極１、プラズマノズル２及びシールドガスカップ３等から成る。プラズマノズル２の内側をプラズマガス（通常アルゴンガス）が流れ、シールドガスカップ３の内側をシールドガス（通常アルゴンガス）が流れる。パイロットアークは電極１とプラズマノズル２との間に発生し、主プラズマアーク４は電極１と母材５との間に発生する。
【０００３】
図６は、上述したプラズマ溶接装置の各信号のタイミングチャートである。同図はプラズマアーク電流Ｉｍが電極マイナス極性の直流の場合である。同図（Ａ）はスイッチＳ１の開閉信号の、同図（Ｂ）はスイッチＳ２の開閉信号の、同図（Ｃ）はパイロットアーク電流Ｉｐの、同図（Ｄ）はプラズマアーク電流Ｉｍの時間変化を示す。以下、同図を参照して説明する。
【０００４】
時刻ｔ１において、同図（Ａ）に示すように、スイッチＳ１の開閉信号がＨｉｇｈレベルになるとスイッチＳ１はオン状態になり、パイロットアーク用電源ＰＡからの高周波高電圧が電極１とプラズマノズル２との間に印加される。時刻ｔ２においてパイロットアークが発生すると、同図（Ｃ）に示すように、パイロットアーク電流Ｉｐが通電する。それから所定時間経過した時刻ｔ３において、同図（Ｂ）に示すように、スイッチＳ２の開閉信号がＨｉｇｈレベルになるとスイッチＳ２はオン状態になり、プラズマアーク用電源ＭＡの出力が印加されてパイロットアークは主プラズマアークへ移行する。このために、同図（Ｄ）に示すように、プラズマアーク電流Ｉｍが通電する。他方、同図（Ｃ）に示すように、パイロットアーク電流Ｉｐは通電しなくなる。このようにパイロットアークから主プラズマアーク４へと移行させてアークスタートが行われる。
【０００５】
図７は、上述したプラズマ溶接装置の各信号の別のタイミングチャートである。同図はプラズマアーク電流Ｉｍが交流の交流プラズマ溶接の場合である。同図（Ａ）はスイッチＳ１の開閉信号の、同図（Ｂ）はスイッチＳ２の開閉信号の、同図（Ｃ）はパイロットアーク電流Ｉｐの、同図（Ｄ）はプラズマアーク電流Ｉｍの時間変化を示す。同図において時刻ｔ３までは上述した図６と同一であるので説明を省略し、時刻ｔ３以降について以下説明する。
【０００６】
時刻ｔ３において主プラズマアーク４が発生すると、同図（Ｄ）に示すように、交流のプラズマアーク電流Ｉｍが通電する。このプラズマアーク電流Ｉｍは、時刻ｔ３〜ｔ４に示す電極マイナス期間Ｔｎ中の電極マイナス電流Ｉmn及び時刻ｔ４〜ｔ５に示す電極プラス期間Ｔｐ中の電極プラス電流Ｉmpから形成される。例えば、Ｔｎ＝１５ms、Ｔｐ＝５ms程度に設定される。
【０００７】
交流プラズマ溶接は、材料表面に酸化皮膜が形成されている材料（例えば、アルミニウム材、マグネシウム材等）の溶接に使用される。これは、電極プラス極性時にアークによるクリーニング作用によって酸化皮膜を除去し、電極マイナス極性時に溶融池を形成して溶接を行うためである。この電極プラス極性時の酸化皮膜の除去が不十分になると、溶融池内部に酸化皮膜が巻き込まれて不良なビードとなる。したがって、電極マイナス極性（ＥＮ）の時間と電極プラス極性（ＥＰ）の時間との比率（一般的にＥＮ比率という）が適正値になるようにプラズマアーク電流Ｉｍが制御される。
【０００８】
ところで、特許文献１、２に記載する従来技術では、パイロットアークから主プラズマアークへの移行時のプラズマガス流量を一時的に多くすることによって移行を円滑化する技術が開示されている。すなわちこの従来技術では、上述した図６及び図７において、時刻ｔ３の移行時から一時的にプラズマガス流量を多くしている。また、特許文献３に記載する従来技術では、図７で上述したプラズマアーク電流Ｉｍを矩形波ではなく台形波にすることによって主プラズマアークからの騒音を低減することができる技術が開示されている。
【０００９】
【特許文献１】特開昭６１−２７６７６８号公報
【特許文献２】特開昭６１−２７６７６９号公報
【特許文献３】特開平８−３００１５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
図７で上述した交流プラズマ溶接のアークスタート方法において、主プラズマアークに移行しプラズマアーク電流Ｉｍが通電した後にアーク切れが頻繁に発生してアークスタート部の溶接品質が悪くなる問題がある。これは、同図の時刻ｔ４に示す電極マイナス極性から電極プラス極性への極性切換時及び時刻ｔ５に示す電極プラス極性から電極マイナス極性への極性切換時にアーク切れが発生している。上述した従来技術によればパイロットアークから主プラズマアークへの移行は円滑化することができるが、その後の極性切換時のアーク切れ対策には効果はない。そこで、本発明では、アークスタートにおける極性切換時のアーク切れを抑制することができる交流プラズマ溶接のアークスタート方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述した課題を解決するために本発明は、電極とプラズマノズルとの間にパイロットアークを発生させ、このパイロットアークをプラズマガスによって噴出させて交流電流が通電する主プラズマアークを発生させる交流プラズマ溶接のアークスタート方法において、
前記主プラズマアークを電極マイナス極性で発生させ、続いて予め定めた初期時間中は予め定めた初期電極マイナス電流を通電し、それ以降は定常の交流電流を通電し、前記初期時間中の前記初期電極マイナス電流の積分値を２０〜２００Ａ・ｓの範囲内に設定することを特徴とする交流プラズマ溶接のアークスタート方法である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、主プラズマアークの発生を常に電極マイナス極性で行うことで電極の消耗を少なくし、積分値が所定範囲内になるように予め設定された初期時間中の初期電極マイナス電流を通電して電極の先端温度を適正値まで上昇させることによって以後の極性切換時のアーク切れを抑制することができるので、良好なアークスタート部の溶接品質を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００１４】
図１は、本発明の実施の形態に係るパイロットアーク電流Ｉｐ及びプラズマアーク電流Ｉｍの波形図である。同図は上述した図７に対応しており、プラズマアーク電流Ｉｍが交流の交流プラズマ溶接の場合である。同図（Ａ）はスイッチＳ１の開閉信号の、同図（Ｂ）はスイッチＳ２の開閉信号の、同図（Ｃ）はパイロットアーク電流Ｉｐの、同図（Ｄ）はプラズマアーク電流Ｉｍの時間変化を示す。同図において時刻ｔ３までは上述した図６及び図７と同一であるので説明を省略し、時刻ｔ３以降について以下説明する。
【００１５】
時刻ｔ３において電極マイナス極性で主プラズマアーク４が発生すると、同図（Ｄ）に示すように、予め定めた初期時間Ｔｉ中は予め定めた初期電極マイナス電流Ｉmiを通電する。それ以降は電極プラス期間Ｔｐ中の電極プラス電流Ｉmp及び電極マイナス期間Ｔｎ中の電極マイナス電流Ｉmnから成る定常の交流電流が通電する。
【００１６】
上記において必ず電極マイナス極性で主プラズマアークを発生させる理由は以下のとりである。すなわち、電極マイナス極性で主プラズマアークが発生した方が、電極プラス極性で発生したときよりも電極の消耗が少なくなるために、アークスタートを繰り返したときの主プラズマアークの発生が円滑になるからである。次に、上記の初期時間Ｔｉ及び初期電極マイナス電流Ｉmiの設定範囲は以下のとおりである。図２は、主プラズマアークに移行した後の極性切換時にアーク切れが発生しない条件を示す図である。同図の横軸は初期電極マイナス電流Ｉmiであり、縦軸は初期時間Ｔｉである。同図はＩmi及びＴｉの組合せを種々に変化させて極性切換時にアーク切れの発生しない範囲を実験によって求めたものである。同図の曲線Ｌ１から下側ではアーク切れが発生し、上側ではアーク切れは発生しなかった。この曲線Ｌ１の式はＴｉ×Ｉmi＝２０として表わすことができる。したがって、初期時間Ｔｉ中の初期電極マイナス電流Ｉmiの積分値が２０Ａ・ｓ以上であればアーク切れは発生しない。この理由は、積分値に比例して主プラズマアーク発生後の電極先端温度が上昇する。この電極先端温度が所定値未満の状態で極性が切り換えられるとアーク切れが発生すやすい。積分値が２０以上であれば電極先端温度が所定値以上となり極性切換時のアーク切れは発生しない。
【００１７】
他方、積分値が２００Ａ・ｓを超えると溶融池に酸化皮膜を巻き込み不良ビードになるおそれがある。これは上述したように、アルミニウム材等の交流プラズマ溶接では電極プラス極性中に酸化皮膜を除去している。積分値が大きくなると電極マイナス極性の時間が長くなり酸化皮膜の除去されていない部分まで溶融されて溶融池内部に酸化皮膜が巻き込まれることになる。したがって、積分値はアーク切れが発生しない２０Ａ・ｓ以上であり、かつ、酸化皮膜の巻き込みの発生しない２００Ａ・ｓ以下の範囲内になるように、初期時間Ｔｉ及び初期電極マイナス電流Ｉmiを設定しなければならない。
【００１８】
本発明を実施するためのプラズマ溶接装置は、図５で上述した構成においてプラズマアーク用電源ＭＡを図３に示す構成に置換したものである。以下、同図を参照して各回路について説明する。
【００１９】
インバータ回路ＩＮＶは、商用交流電源ＡＣ（３相２００Ｖ等）を入力として、後述する電流誤差増幅信号Ｅｉに従ってインバータ制御を行い、高周波交流を出力する。高周波変圧器ＩＮＴは、この高周波交流をプラズマアーク負荷に適した電圧値に降圧する。整流器Ｄ１〜Ｄ４は、降圧された高周波交流を整流して直流出力に変換する。電極プラストランジスタＰＴＲは、電極プラス駆動信号Ｐdrによって電極プラス期間中導通する。電極マイナストランジスタＮＴＲは、電極マイナス駆動信号Ｎdrによって電極マイナス期間中導通する。リアクトルＷＬは、プラズマアーク電流Ｉｍを平滑する。電極１と母材５との間に主プラズマアーク４が発生する。
【００２０】
電流検出回路ＩＤは、交流のプラズマアーク電流Ｉｍを検出して絶対値に変換し、電流検出信号Ｉｄを出力する。電流通電判別回路ＣＤは、主プラズマアーク４が発生し上記のプラズマアーク電流Ｉｍが通電したことを上記の電流検出信号Ｉｄによって判別してＨｉｇｈレベルとなる電流通電判別信号Ｃｄを出力する。初期時間設定回路ＴＩＳは、予め定めた初期時間設定信号Ｔisを出力する。電極マイナス期間設定回路ＴＮＳは、予め定めた電極マイナス期間設定信号Ｔnsを出力する。電極プラス期間設定回路ＴＰＳは、予め定めた電極プラス期間設定信号Ｔpsを出力する。極性切換信号タイマ回路ＴＭは、上記の電流通電判別信号ＣｄがＨｉｇｈレベル（通電状態）になった後上記の初期時間設定信号Ｔisで定まる期間が経過するまではＨｉｇｈレベルとなり、その後は上記の電極プラス期間設定信号Ｔpsによって定まる期間中はＬｏｗレベルになり、その後は上記の電極マイナス期間設定信号Ｔnsによって定まる期間中はＨｉｇｈレベルになり、その後は再び上記の電極プラス期間設定信号Ｔpsによって定まる期間中はＬｏｗレベルになり、以後この動作を繰り返す極性切換信号Ｔｍを出力する。駆動回路ＤＲは、この極性切換信号ＴｍがＨｉｇｈレベルのときは電極マイナストランジスタＮＴＲを導通させる電極マイナス駆動信号Ｎdrを出力し、Ｌｏｗレベルのときは電極プラストランジスタＰＴＲを導通させる電極プラス駆動信号Ｐdrを出力する。
【００２１】
初期電極マイナス電流設定回路ＩＭＩＳは、予め定めた初期電極マイナス電流設定信号Ｉmisを出力する。電極マイナス電流設定回路ＩＭＮＳは、予め定めた電極マイナス電流設定信号Ｉmnsを出力する。電極プラス電流設定回路ＩＭＰＳは、予め定めた電極プラス電流設定信号Ｉmpsを出力する。電流制御設定回路ＩＳＣは、上記の電流通電判別信号ＣｄがＨｉｇｈレベルになりかつ上記の極性切換信号ＴｍがＨｉｇｈレベルの間は上記の初期電極マイナス電流設定信号Ｉmisを電流制御設定信号Ｉscとして出力し、その後に上記の極性切換信号ＴｍがＬｏｗレベルになると上記の電極プラス電流設定信号Ｉmpsを電流制御設定信号Ｉscとして出力し、その後に上記の極性切換信号ＴｍがＨｉｇｈレベルになると上記の電極マイナス電流設定信号Ｉmnsを電流制御設定信号Ｉscとして出力し、その後に再び上記の極性切換信号ＴｍがＬｏｗレベルになると上記の電極プラス電流設定信号Ｉmpsを電流制御設定信号Ｉscとして出力し、以後この動作を繰り返す。電流誤差増幅回路ＥＩは、この電流制御設定信号Ｉscと上記の電流検出信号Ｉｄとの誤差を増幅して、電流誤差増幅信号Ｅｉを出力する。この結果、電流制御設定信号Ｉscに従って図１（Ｄ）で上述した波形のプラズマアーク電流Ｉｍが通電する。
【００２２】
上記において、初期電極マイナス電流設定信号Ｉmisの値を初期時間設定信号Ｔisによって定まる期間中積分した値が２０〜２００の範囲内になるように、初期時間設定信号Ｔis及び初期電極マイナス電流設定信号Ｉmisを設定する。
【００２３】
［効果］
図４は、本発明と従来技術とのアークスタート部のビード外観を比較した図である。同図（Ａ）は本発明によるビード外観であり、同図（Ｂ）は図７で上述した従来技術によるビード外観である。主な溶接条件は以下のとおりである。母材は板厚３mmのアルミニウム合金材であり、パイロットアーク電流Ｉｐ＝１０Ａであり、電極マイナス電流Ｉmn＝８０Ａ、電極プラス電流Ｉmp＝８０Ａであり、電極マイナス期間Ｔｎ＝１５ms、電極プラス期間Ｔｐ＝５msである。また本発明においては、初期時間Ｔｉ＝０．４ｓ、初期電極マイナス電流Ｉmi＝１００Ａである。この結果、したがって、積分値は４０Ａ・ｓとなり、上記の２０〜２００の範囲内に設定されている。
【００２４】
同図（Ａ）に示すように、本発明では主プラズマアークに移行した後のアーク切れが発生しないために、アークスタート部のビード５ａは幅の均一な良好な外観である。他方、同図（Ｂ）に示すように、従来技術では主プラズマアークに移行した後にアーク切れが多発するために、アークスタート部のビード５ｂは幅が不揃いで不良な外観である。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施の形態に係るパイロットアーク電流Ｉｐ及びプラズマアーク電流Ｉｍの波形図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る初期時間Ｔｉ及び初期電極マイナス電流Ｉmiのアーク切れが発生しない適正範囲を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態に係るプラズマアーク用電源ＭＡのブロック図である。
【図４】本発明の効果の一例を示すアークスタート部のビード外観の比較図である。
【図５】従来のプラズマ溶接装置の構成図である。
【図６】従来技術の直流プラズマ溶接におけるパイロットアーク電流Ｉｐ及びプラズマアーク電流Ｉｍの波形図である。
【図７】従来技術の交流プラズマ溶接におけるパイロットアーク電流Ｉｐ及びプラズマアーク電流Ｉｍの波形図である。
【符号の説明】
【００２６】
１            電極
２            プラズマノズル
３            シールドガスカップ
４            主プラズマアーク
５            母材
５ａ、５ｂ        アークスタート部のビード
ＡＣ            商用交流電源
ＣＤ            電流通電判別回路
Ｃｄ            電流通電判別信号
Ｄ１〜Ｄ４        整流器
ＤＲ            駆動回路
ＥＩ            電流誤差増幅回路
Ｅｉ            電流誤差増幅信号
ＩＤ            電流検出回路
Ｉｄ            電流検出信号
Ｉｍ            プラズマアーク電流
Ｉmi            初期電極マイナス電流
ＩＭＩＳ          初期電極マイナス電流設定回路
Ｉmis          初期電極マイナス電流設定信号
Ｉmn            電極マイナス電流
ＩＭＮＳ          電極マイナス電流設定回路
Ｉmns          電極マイナス電流設定信号
Ｉmp            電極プラス電流
ＩＭＰＳ          電極プラス電流設定回路
Ｉmps          電極プラス電流設定信号
ＩＮＴ            高周波変圧器
ＩＮＶ            インバータ回路
Ｉｐ            パイロットアーク電流
ＩＳＣ            電流制御設定回路
Ｉsc            電流制御設定信号
Ｌ１            曲線
ＭＡ            プラズマアーク用電源
Ｎdr            電極マイナス駆動信号
ＮＴＲ            電極マイナストランジスタ
ＰＡ            パイロットアーク用電源
Ｐdr            電極プラス駆動信号
ＰＴＲ            電極プラストランジスタ
Ｓ１、Ｓ２        スイッチ
Ｔｉ            初期時間
ＴＩＳ            初期時間設定回路
Ｔis            初期時間設定信号
ＴＭ            極性切換信号タイマ回路
Ｔｍ            極性切換信号
Ｔｎ            電極マイナス期間
ＴＮＳ            電極マイナス期間設定回路
Ｔns            電極マイナス期間設定信号
Ｔｐ            電極プラス期間
ＴＰＳ            電極プラス期間設定回路
Ｔps            電極プラス期間設定信号
ＷＬ            リアクトル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2005230832.tif 000007
【図６】
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【図７】
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